Реферат: ОТКРЫТЫЕ И ЗАКРЫТЫЕ СИСТЕМЫ. АКТИВНАЯ И ПАССИВНАЯ СРЕДА
КЫРГЫЗСКО-РОССИЙСКИЙ СЛАВЯНСКИЙУНИВЕРСИТЕТЕСТЕСТВЕННО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТРЕФЕРАТ НА ТЕМУ:
«ОТКРЫТЫЕ И ЗАКРЫТЫЕ СИСТЕМЫ. АКТИВНАЯ И ПАССИВНАЯСРЕДА.»
ВЫПОЛНИЛ СТУДЕНТ ГР. ИВТ-1-97
ШИЛОВ ПАВЕЛ
БИШКЕК 2000
Открытая система — это системаобменивающаяся веществом и энергией
с окружающей средой. Существует свойства открытых систем,находящихся вдали от равновесного состояния: они оказываются неустойчивыми ивозврат к начальному состоянию является необязательным. В некоторой точке,называемой бифуркацией (разветвлением), поведение системы становитсянеоднозначным.
При наличии неустойчивостиизменяется роль внешних воздействий. В определенных условиях ничтожно малоевоздействие на открытую систему может привести к значительным непредсказуемымпоследствиям (раскрытие неустойчивости).
В открытых системах, далеких отравновесия, возникают эффекты согласования, когда элементы системы коррелируютсвое поведение на макроскопических расстояниях через макроскопические интервалывремени. Такое кооперативное, согласованное поведение характерно для системразличных типов: молекул, клеток, нейронов, отдельных особей и т.д.
В результате согласованноговзаимодействия происходят процессы упорядочения, возникновения из хаоса определенныхструктур, их преобразования и усложнения. Чем больше отклонение от равновесия,тем больший охват корреляциями и взаимосвязями, тем выше согласованностьпроцессов, даже протекающих в отдаленных областях и, казалось бы, не связанныхдруг с другом. Сами процессы характеризует нелинейность, наличие обратныхсвязей и связанные с этим возможности управляющего воздействия на систему.
Теория состояний, далеких отравновесия, возникла в результате синтеза трех направлений исследований:
1. Разработкаметодов описания существенно неравновесных процессов на основе статистическойфизики. В рамках этого направления создаются кинетические модели, определяютсяпараметры, необходимые для описания, выявляются корреляции, крупномасштабныефлуктуации, устанавливаются закономерности перехода в состояние равновесия.
2. Разработкатермодинамики открытых систем, изучение стационарных состояний, сохраняющихустойчивость в определенном диапазоне внешних условий, поиск условийсамоорганизации, т. е. возникновения упорядоченных структур из неупорядоченных.Было показано, что процессы диссипации энергии являются необходимым условиемсамоорганизации, поэтому возникающие структуры получили название диссипативных.Г.Хакен предложил называть эту область исследований синергетикой (от греческого«синергетикос» — совместный, согласованно действующий).
3. Определениекачественных изменений решений нелинейных дифференциальных уравнений,определяющих состояния далекие от равновесия, в зависимости от входящихпараметров. Этот раздел математики получил название теории катастроф. С еепомощью описываются качественные перестройки общей структуры решений — катастрофы, определяются границы устойчивости и изменения структуры состояний.
Синтез этих трех направлений далновую область знаний занимающуюся описанием состояний, далеких от равновесия. Сее помощью удалось сформулировать общий подход к целой совокупности явленийприроды и общества. Ее называют по- разному: синергетика, теория открытыхсистем, теория диссипативных структур, термодинамика необратимых процессов.Есть названия, связанные со свойствами неустойчивости, нелинейности.
Исходным пунктом для данной области исследованийявилась классическая кинетика процессов в газах, начатая работами Дж.Максвеллаи Л.Больцмана. Затем произошло расширение области исследования наслабонеравновесные системы в различных средах и условиях. С 1950 года началосьширокое изучение систем, находящихся далеко от состояния равновесия из-задействия сильных полей и жестких излучений различной природы. На сцену вышел качественноновый фактор — квантованность энергетических состояний молекул. Ранее, посуществу, рассматривалось только поступательное движение бесструктурных частиц.При сильном отклонении от равновесного состояния возбуждение охватываетразличные степени свободы молекул — вращательные, колебательные, электронные.Возникает необходимость детального учета квантовой структуры вещества. В этихусловиях частицы уже нельзя считать бесструктурными, а нужно рассматривать ихэволюцию в фазовом пространстве многих степеней свободы.
Свойства атомов и молекул вразличных энергетических состояниях различны. За счет неравновесных процессовпроисходит быстрое перераспределение заселенностей по большому числу термов инеизвестно какой из них окажется в данной конкретной системе наиболеереакционноспособным. Поэтому реакция существенно неравновесной системы навнешнее воздействие может быть неожиданной. Примером может служить диссоциациямногоатомных молекул (ангармонических осцилляторов) при охлаждении газа вусловиях накачки энергии. Этот эффект использовался для получения свободныхатомов при низких температурах, что сыграло существенную роль в разработкехимических лазеров. Другим примером нетривиального поведения существеннонеравновесной системы является кратковременное охлаждение углекислого газа прирезонансном поглощении излучения молекулой CО2.
В данном случае принципиально то,что при рассмотрении открытых систем, внешние параметры играют рольрегуляторов, с помощью которых можно управлять процессами. Очень существенныммоментом является то, что энергетические затраты на управление с помощью этихрегуляторов намного меньше, чем требуется для достижения того же эффекта вравновесных условиях. Причем эффективность воздействия зависит от степенинеравновесности системы.
В ряде случаев элементы системыначинают действовать в неравновесных условиях согласованно, обнаруживаясвойства, не присущие отдельной частице. Эти общие свойства получили названиекогерентных или кооперативных свойств. При приближении системы к состояниюравновесия сначала разрушаются когерентные связи, а затем уже связи,определяемые энергетическими заселенностями. Когерентность определяетсявозникновением корреляций (взаимосвязей и взаимозависимостей) между частицами.Математически это выражается необходимостью рассмотрения функции распределенияне одной частицы, а нескольких взаимодействующих. Н.Н.Боголюбов разработалединый подход рассмотрения всей совокупности функций распределения — цепочекуравнений для последовательных функций увеличивающегося числа взаимодействующихчастиц. Этот метод назван цепочками ББГКИ, по имени ученых, внесших основнойвклад в их разработку: Н.Н.Боголюбов, М.Борн, Х.Грин, И.Кирквуд, И. Ивон. Такфункция n переменных fn(х1, х2,… хn-1,t) учитывает корреляции n частиц. Если масштабкорреляции уменьшается и взаимодействуют только n-1 частиц, то переходят к fn-1(х1, х2,… хn-1,t) функции. При сглаживании неравновесности(переходе к состоянию равновесия) корреляции разрушаются, сокращается наборфункций, необходимых для описания поведения системы, а сами функции зависят отвсе меньшего числа частиц. В пределе остаются лишь одночастичные функциираспределения, уравнения которых составляют основу обычной кинетики.
Метод цепочек ББГКИ имелисключительно большое значение в неравновесной статистической физике. Это был,по существу, новый подход к проблеме необратимости. В замкнутой системеуравнения динамики (классической или квантовой) обратимы, т. е. замена t на -tих не меняет. При обрыве цепочки, когда нарушается корреляция высших порядков,возникает необратимость. В этом случае четко видна причина необратимости.Разрушение корреляции может быть вызвано внешним воздействием. Но чем больше иупорядоченной система, тем выше масштаб корреляций. Это означает, что онидействуют между большим числом частиц, на больших расстояниях и в течениебольшого промежутка времени. Следовательно, нужно меньшее воздействие длянарушения такой сложной корреляции. А так как абсолютно изолированных системнет, то необратимость нашего мира заложена в природе вещей в силу всеобщейсвязи.
В случае изолированных (закрытых) систем, в которых нет никаких обменовс внешней средой, необратимость выражена знаменитым вторым закономтермодинамики, в соответствии с которым существует функция переменных состояниясистемы, изменяющаяся монотонно в процессе приближения к состояниютермодинамического равновесия. Обычно в качестве такой функции состояниявыбирается энтропия, и второе начало формулируется так: «производнаяэнтропии по времени не отрицательна». Традиционно это утверждениеинтерпретируется как «тенденция к возрастанию разупорядоченности» иликак “производство энтропии”.
В случае неизолированныхсистем, которые обмениваются с внешней средой энергией или веществом, изменениеэнтропии будет обусловлено процессами внутри системы (производство энтропии) иобменами с внешней средой (поток энтропии). Если производство энтропии всоответствии со вторым законом термодинамики неотрицательно, то «потокэнтропии» может быть как положительным, так и отрицательным. Если потокэнтропии отрицательный, то определенные стадии эволюции могут происходить приобщем понижении энтропии. Последнее, согласно традиционной трактовке, означает,что «в ходе эволюции разупорядоченность будет уменьшаться за счет оттокаэнтропии».
Наука как открытая система
Синергетика применима и к анализупроцесса самого научного познания. Наука представляет собой совокупностьзнаний, приведенных в систему, в которой факты и законы связаны между собойопределенными соотношениями и взаимно обусловливают друг друга. Она являетсяоткрытой информационной системой, связанной с внешним миром потокамиинформации. В физических системах самоорганизация начинается если энтропиясистемы убывает. Энтропия же и информация с точностью до знака совпадают.Применение синергетики в информационной формулировке в данном случае наиболееудобно.
Система научных структур ипонятий в своем единстве является парадигмой. С точки зрения синергетики,парадигма — это своего рода устойчивое состояние текущего равновесия. Вусловиях нормального экстенсивного развития парадигма разрешает возникающиерассогласования. По мере накопления информации, то есть ухода системы в сторонуот равновесия, структура научных знаний должна пройти кинетический фазовыйпереход. Этот переход — переосмысление основ теории, изменение методологическихпредпосылок и стиля мышления — называется научной революцией. Кореннаятрансформация и смена ведущих представлений дают новую картину мира. Врезультате научной революции старая парадигма целиком или частично замещаетсяновой. Атрибутами фазового перехода являются: отклонения и флуктуации вустановившихся понятиях, учащающееся появление «еретических»гипотез, крупномасштабные флуктуации в теоретических интерпретациях, появлениесогласований и корреляций типа одновременности и независимости одних и тех жеоткрытий в разных местах. Примером последнего может являться появлениеконцепции ноосферы в трудах Леруа, Тейяра де Шардена и Вернадского, а такжепонятия «пневматосферы» (сферы духа) в работе П.А.Флоренского.Развитие науки представляется процессом самоорганизации, проходящим черезбифуркации, последовательность устойчивых, все более усложняющихся состояний — парадигм.
Нарушение открытости системы,прекращение притока новой информации приводит к диссипации знаний, схоластике.Замкнутость всего общества приводит к застою и деградации. Примером могутслужить Спарта, средневековая Япония, изолированные племена.
В настоящее время синергетикапоказала свою общенаучную значимость. Происходят качественные изменения основынаших знаний, вызванные использованием идейного и понятийного багажасинергетики различными науками. Синергетика вводит новое видение мира ипроцессов эволюции. Ситуацию можно рассматривать как преддверие перехода нановую парадигму вслед за теорией относительности и квантовой механикой. Вместес тем, следует помнить Сократа: «Основная ошибка, которой следуетостерегаться, — полагать, что мы знаем больше, чем на самом деле». Л. деБройль предупреждал о несостоятельности эйфории по поводу окончательности нашихзнаний: «… каждый успех нашего познания ставит больше проблем,чем решает...».
Среды, в которыхвозникают различные процессы, т.е. системы далекие от состояния тепловогоравновесия, называют активными или возбудимыми в отличие от невозбудимых(пассивных) сред. Активную среду можно представить как сеть,образованную отдельными активными элементами. Каждый элемент активной средыможет находиться в одном из трех состояний: покое, релаксации и возбуждении.Все элементы активной среды связаны одним свойством — переносом волновыхпроцессов, которые проходят через среду. Перенос осуществляется за счет“подкачки” энергии извне в элемент среды.
Обратимся к одной из наиболее сложной из активныхсистем «ЧЕЛОВЕК». На любом структурном уровне среды присутствует основнойсоциальный элемент (человек со своей психологией, социальными, экономическими,политическими, жизненными взглядами, устремлениями и т.д.). И человек не один.Это целое общество людей (студентов, педагогов, ученых, администраторов,политиков, инженеров, экономистов и т.д.). Каждая группа людей со своимменталитетом. Все они, вольно или невольно, по тем или иным причинамсодействуют или препятствуют прохождению процесса информатизации вобразовательном учреждении.
Среда может быть пассивной, когда указания “гореть” простопередаются сверху, то есть от органа государственного управления образованиемдо обучающегося в виде отработанных заранее действий: постановлений, приказов,распоряжений, правил и т.д. Нужны громадные организационно-экономическиеусилия, чтобы провести по пассивной среде энергию волны, и все же она быстрозатухает.
Но среда может быть и активной,когда каждая волна горения сверху подпитывается внутренней энергией на каждомуровне, то есть на каждом уровне среды есть свой генератор энергии (пейсмекер).Волна свободно проходит через элементы каждой структуры (ученых,администраторов, студентов и преподавателей и т.д.), отдающих свою энергию.Получив эту энергию, волна идет далее от элемента к элементу, распространяяськак пожар.
“Горение” в социальной среде — это практически творческий процесс работы энтузиастов, которые работают намалых окладах, в плохих условиях и т.д., но их удовлетворяет сам процесс творческогогорения, новизна работы в данной сфере, творческий интерес в получении новыхнаучных результатов, возможность использования своего интеллекта и т.д.
Волны горения (информатизация)идут по разным каналам: официальным формальным структурам, путям, направлениями неформальным — отдельным научным школам, временным творческим коллективам ит.п., которые в инициативном порядке работают по неожиданным, оригинальным иперспективным направлениям.
Синергетика устанавливаетопределенные режимы, параметры, характер процессов “горения”, что является исключительнополезным для получения практических результатов.
Причем законы синергетикигласят, что при превышении определенного уровня накачки энергии в среду, онаможет самовозбудиться и перейдет в режим интенсивного горения (“лазерныйрежим”), где очень легко можно будет управлять процессом прохождения волны,регулируя их малыми уровнями добавляемой энергии для того, чтобы направитьволну в нужном направлении обеспечения процесса информатизации.